11-6

光的粒子性光的波粒二象性現(xiàn)象與思考光的粒子性光的波粒二象性現(xiàn)象與思考

光的干涉，衍射等現(xiàn)象使我們認(rèn)識(shí)了光的波動(dòng)性。在光的波動(dòng)理論建立以后，人們從實(shí)驗(yàn)中又發(fā)現(xiàn)了光的波動(dòng)理論解釋不了的現(xiàn)象——光電效應(yīng)。經(jīng)過(guò)研究，愛(ài)因斯坦又把光看成粒子，用他提出的光量子理論成功的解釋了光電效應(yīng)試驗(yàn)。那么，光的本性是什么？光到底是粒子還是波？一、光的粒子性1.光電效應(yīng)

讓帶負(fù)電的鋅版與驗(yàn)電器連接，驗(yàn)電器指針偏轉(zhuǎn)一定角度。紫外線

用紫外線照射鋅版，驗(yàn)電器原來(lái)偏轉(zhuǎn)的指針閉合。

鋅板受到紫外線照射時(shí)，光使電子從鋅板表面逸出。

⑴概念物體在光（從可見(jiàn)光到γ

射線）的照射下發(fā)射電子的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)，如視頻11.6-1，發(fā)射出來(lái)的電子稱為光電子。光電效應(yīng)的現(xiàn)象視頻11.6-1

⑵光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1888

年，俄國(guó)物理學(xué)家斯托列夫用圖

11.6-1所示的實(shí)驗(yàn)電路研究了光電效應(yīng)的規(guī)律。VAKSG圖

11.6-1光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)VAKSG

圖

11.6-2中

S

是一個(gè)抽成真空的玻璃容器，容器中裝有陰極

K（金屬板）和陽(yáng)極

A，C

為石英小窗。當(dāng)光線透過(guò)石英小窗照射在陰極

K

上時(shí)，從電流計(jì)上可以看到有電流通過(guò)，這些被光照射產(chǎn)生的光電子在電場(chǎng)作用下不斷由陰極

K

流向陽(yáng)極

A

形成的電流成為光電流。圖

11.6-2光電效應(yīng)原理

⑶

光電效應(yīng)的基本規(guī)律

①對(duì)于每一種金屬，只有在高于某一頻率的光照射時(shí)，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，這個(gè)頻率，稱為該金屬的截止頻率。②入射光的頻率大于截止頻率時(shí)，光電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比。③光電子的初動(dòng)能只與入射光的頻率呈線性關(guān)系，而與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。④光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性，只要有大于截止頻率的光照射到金屬上，光電子立即發(fā)射出來(lái)，時(shí)間相差不到

。

2.光的粒子性的提出

⑴光電效應(yīng)證明光具有粒子性。

⑶內(nèi)容光是有大量以光速運(yùn)動(dòng)的粒子組成的粒子流，這些粒子稱為光量子或光子。每個(gè)光子的能量

E

與它的頻率

成正比，即

⑵1905

年愛(ài)因斯坦在德國(guó)物理學(xué)家普朗克關(guān)于電磁輻射能量量子化的啟發(fā)下，提出了光的量子理論。他認(rèn)為光是有大量以光速運(yùn)動(dòng)的粒子組成的粒子流。式子

h

是普朗克常量。

⑷按照這個(gè)觀點(diǎn)，頻率為的光的能量只能是

的整數(shù)倍，光的能量是這種光的能量的最小單位，稱為光的能量的量子化。

3.愛(ài)因斯坦方程⑴逸出功

電子克服原子核的束縛，從金屬表面逸出所需的最小能量，稱為逸出功。

⑵能量在輻射、傳播和吸收的過(guò)程中是一份一份的、不連續(xù)的、每份的能量等于

hv。在光電效應(yīng)中，一個(gè)電子只吸收一個(gè)光子，一部分用來(lái)提供逸出功，一部分用來(lái)提供它的初動(dòng)能。

⑶愛(ài)因斯坦方程

是入射光子能量，W是金屬的逸出功，

是光電子的初動(dòng)能。它定量地說(shuō)明了發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)的能量關(guān)系。

例題

已知銫的截止頻率為

,若波長(zhǎng)為

的光照射在銫上，能否發(fā)生光電效應(yīng)？為什么？

如能發(fā)生，試求金屬銫的逸出功和光電子的初速度？

所以可以發(fā)生光電效應(yīng)。金屬的逸出功與其截止頻率相對(duì)應(yīng)。利用愛(ài)因斯坦方程，令初動(dòng)能為零，則逸出功為解：已知，則，

已知電子質(zhì)量為

，則光電子的初

速度為

光電子的初動(dòng)能為二、光的波粒二象性光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)（動(dòng)畫(huà)）光既有波動(dòng)性，又具有粒子性。

1.

光既有波動(dòng)性，又具有粒子性，但光子與實(shí)物粒子有著本質(zhì)的區(qū)別。

比如光子始終以光速運(yùn)動(dòng)，而任何實(shí)物粒子的運(yùn)動(dòng)都不可能達(dá)到光速。相對(duì)論證明，光子的靜止質(zhì)量為零，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為但光子的能量，與光波的頻率有關(guān)，說(shuō)明光的波動(dòng)性和粒子性有著緊密的聯(lián)系。無(wú)法只用其中一種觀點(diǎn)去說(shuō)明光的一切行為。

2.

光是電磁場(chǎng)這種特殊物質(zhì)的一種運(yùn)動(dòng)形式，它既有波動(dòng)性，又具有粒子性，我們把這種現(xiàn)象稱為光的波粒二象性。⑴光在傳播過(guò)程中，主要表現(xiàn)波動(dòng)性。⑵光與其他物質(zhì)相互作用時(shí)，粒子性比較顯著。

⑶光的波粒二象性說(shuō)明光既不是宏觀概念中的波，也不是宏觀概念中的微粒。⑷光是一系列具有波動(dòng)性、不連續(xù)的光子流。3.

波粒二象性是微觀客體的一個(gè)基本性質(zhì)

1924

年，法國(guó)科學(xué)家德布羅意大膽地設(shè)想一切微粒都具有波粒一象性，還給出了表征其粒子性與波動(dòng)性相聯(lián)系的能量

E

和動(dòng)量

p

的關(guān)系式。練習(xí)

1.什么叫光電效應(yīng)？發(fā)生光電效應(yīng)的條件是什么？

答：物體在光（從可見(jiàn)光到γ射線）的照射下發(fā)射電子的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。

對(duì)于每一種金屬，只有在高于其截止頻率光照射時(shí)，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。

2.愛(ài)因斯坦的光量子理論認(rèn)為：光是由大量以____運(yùn)動(dòng)的粒子組成的粒子流，這些粒子稱為光子，每個(gè)光子的能量等于________。光速E